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Laboratorio IV Esperienza n 7: CARATTERISTICHE del TRANSISTOR BJT
Esperienza n 7: CARATTERISTICHE del TRANSISTOR BJT
Caratteristica del transistor bipolare
Il transistor bipolare è uno dei principali dispositivi a semiconduttore utilizzato per
amplificare elettricamente un segnale o come commutatore digitale.
Il transistor bipolare (BJT) è un dispositivo costituito da due giunzioni come
rappresenta in fig. 1.
E
B
C
n
p
n
Vbe
Vcb
Fig. 1 Schematizzazione di un transistor NPN in conduzione
I cristalli di semiconduttore che costituiscono l’emettitore ed il collettore sono drogati
con materiale pentavalente (tipo n) e la base con materiale trivalente (tipo p). La base è
molto sottile (nell’ordine del micron).
Una differenza importante fra collettore e emettitore è rappresentata dai diversi valori di
drogaggio. L’emettitore svolge la funzione che, se polarizzata direttamente, inietta
elettroni nella base ed è fortemente drogato.
Essendo la base poco drogata gli elettroni possono facilmente raggiungere la giunzione
base - collettore (nella base gli elettroni sono portatori minoritari essendo drogata p) e
se questa è polarizzata inversamente cioè il collettore si trova a potenziale positivo
rispetto alla base, gli elettroni possono raggiungere il collettore e dare luogo ad una
corrente (si intende corrente di cariche positive) che dal collettore
raggiunge
l’emettitore.
Alcuni elettroni iniettati dall’emettitore nella base si ricompongono con le poche lacune
presenti essendo la base dotata di pochi atomi droganti di tipo p e formano la corrente
di base - emettitore.
Questo meccanismo può anche essere visto altro modo:
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se nella giunzione base - emettitore passa una corrente Ib, allora l’emettitore emette
elettroni che a causa del minimo spessore della base possono raggiungere il collettore e
formare una corrente Ic molto più grande della Ib.
Un transistor di questo si chiama bipolare (BJT) perché la conduzione avviene sia per i
portatori maggioritari nell’emettitore e collettore che per portatori minoritari nella base.
Esistono due tipi di transistor: il tipo NPN di cui si è parlato ed il cui simbolo è
rappresentato il fig. 2a ed il transistor PNP presentato in fig. 2b. Si differenziano fra
loro per il disegno dell’emettitore, la cui freccia per il tipo PNP sta ad indicare che si
iniettano buchi nella base.
C
B
C
B
NPN
PNP
E
E
Fig.2a Transistor NPN
Fig. 2b Transistor PNP
Considerando il transistor come una scatola nera si può definirlo come un quadripolo
avente due morsetti di ingresso e due di uscita. Per il suo utilizzo si richiede pertanto di
conoscere le caratteristiche di ingresso e di uscita.
Lo schema elettrico consigliato è presentato in fig. 3 dove il transistore è collegato ad
emettitore comune.
TIP 31
Vbb
uA
B
mA
C
E
Vce
Vbe
V
Ib
V
10k
Ic
Vcc
quadripolo in esame
Fig. 3 Schema elettrico per ricavare le caratteristiche di un transistor
La caratteristica del transistor collegato in questo modo è la seguente: facendo passare
una piccola corrente Ib dentro la base si ottiene un grande passaggio di corrente Ic sul
collettore. Il rapporto di amplificazione e definito come:
βf = hFE = Ic/Ib
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Questa amplificazione è generalmente compressa fra 30 e 500 e dipende oltre che dalla
sua costruzione, anche dalla temperatura del transistor, infatti l’espressione della
corrente in una giunzione, data nell’esperimento del diodo:
I d = I 0 (e
Vd
ηVT
− 1)
dipende dalla temperatura assoluta sia nella corrente I0 che nel valore dell’esponente. A
parità di tensione applicata ai capi della giunzione, aumentando la temperatura aumenta
la corrente nella giunzione. Per evitare che le caratteristiche che si stanno ricavando
siano compromesse dal forte aumento della temperatura del transistor è necessario
limitare la potenza dissipata soprattutto nel circuito di collettore disegnando, prima di
iniziare le misure, la curva di massima potenza:
Pmax = Vce Ic
che nel piano Ic = f(Vce) è rappresentata da un iperbole.
Il transistor in dotazione e del tipo NPN con sigla TIP 31 e può dissipare al massimo
2W, pertanto se la tensione Vce è 2V si può far passare 1A, mentre con Vce = 6V la Ic
diventa 0,33A, infine per Vce = 12V la Ic si riduce a 0,16A.
Si richiede di ricavare la famiglia di curve Ic = f(Vce) per Ib = costante come
presentato in fig. 4 costruendo la tabella 1.
Ic mA
200
600µA
500µA
150
400µA
300µA
100
200µA
50
100µA
2
4
6
8
10
Fig. 4 Caratteristica Ic = f(Vce) per Ib = costante
Procedimento:
-
Impostare una corrente di base 50 µA letta sul tester analogico
-
Leggere la tensione Vbe sul tester digitale
-
Variare la tensione Vce e leggere la corrente indicata dal generatore.
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Vce V
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-
Impostare una corrente di base 100 µA e rifare le misure cambiando Vce
Ib µA
Vce Volt
Vbe Volt
Ic mA
50
0
-------
-------
50
0,5
-------
-------
50
1
-------
-------
50
-------
------
-------
50
12
-------
-------
100
0,5
-------
-------
100
0
-------
-------
100
-------
-------
-------
100
12
-------
-------
Tabella 1
Ricavare una famiglia di curve per valori di corrente di base fino a 500 µA
Dagli stessi dati si può ricostruire la famiglia di curve per Vbe = f(Ib) con Vce = cost
come presentato in fig. 5
Graficare βf = f(Ic) per Vce = 6 V
tensione Vbe Volt
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
200
400
600
800
corrente Ib uA
Fig. 5 Tensione di base in funzione della corrente di base per Vce = 6 V
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Dalle caratteristiche ricavate si può osservare che:
Impostando una corrente Ib si ha un passaggio di corrente Ic cioè la corrente di
comando Ib risulta essere amplificata di un fattore βf poco dipendente da Vce quindi in
prima grossolana approssimazione si può ritenere che l’uscita (collettore emettitore) del
nostro quadripolo sia rappresentabile da un generatore di corrente il cui valore vale
Ic = βf Ib
La dipendenza della temperatura si può osservare dal fatto che la corrente Ic a parità di
Ib cambia se il transistor si scalda.
Dalla caratteristica di ingresso Vbe = f(Ib) si osserva che la tensione Vbe risulta essere
compresa fra 0,5 e 0,7 cioè circa costante ed è assimilabile al modello del diodo.
In definitiva dalle caratteristiche ricavate si può ritenere che il transistor sia
rappresentabile dal modello presentato in fig. 6 in cui l’ingresso è costituito da una
resistenza Rπ di circa 500Ω
Ω ed un generatore Vγ di 0,5 V oppure per semplificare solo di
una Vσ di 0,7 V. L’uscita è composta da un generatore di corrente di valore βfIb.
.
.
Rπ
.
Vγγ
.
.
β f Ib
Fig. 6 Modello di transistor BJT
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